移動式集裝箱裝卸機械智能管理關鍵技術研究

徐 峰

(中國鐵路上海局集團有限公司 金華貨運中心，浙江 金華 321000)

0 引言

移動式集裝箱裝卸機械(正面吊、堆高機)具有機動靈活、投資費用少的優(yōu)勢[1]，在鐵路集裝箱貨場裝卸作業(yè)中的投入使用率逐年增加。目前，中國鐵路上海局集團有限公司(以下簡稱“上海局集團公司”)金華貨運中心下屬各貨運站總計擁有8臺正面吊、2臺堆高機。目前貨場外勤貨運員只能通過手工抄錄、對講機呼叫、定期清場核箱等原始落后的手段采集集裝箱信息，再將收集的集裝箱堆場數(shù)據(jù)手工錄入至EXCEL表等存檔，存在效率低下、工作量大，工作繁忙時容易抄錯、錄錯，及時性不高等問題。集裝箱作業(yè)信息的有效采集及管理，成為影響貨場集裝箱作業(yè)效率的主要問題。為此研究嘗試利用物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)對貨場集裝箱堆場信息化、智能化管理。其中，裝卸器械定位、集裝箱定位、作業(yè)集卡定位成為智能管理系統(tǒng)中需要解決的關鍵技術。

鐵路大型集裝箱貨場，以義烏西為例，其堆場面積較大，集裝箱堆疊層數(shù)較高(3層)，集裝箱保有量較大，貨場內(nèi)空重集裝箱總計大約3 000只；流轉(zhuǎn)量較大，每日運輸中歐(中亞)班列、海鐵聯(lián)運班列5～6列。由于集裝箱分屬不同的物流企業(yè)，致使無法采用在集裝箱上安裝傳感器進行定位的方法。此外，集裝箱作為全封閉的鐵箱，在堆疊層數(shù)較高之后，會極大地衰減電磁波信號，采用類似Wi-Fi、UWB等無線定位技術將受到極大的干擾。堆場面積大的特征，則要求定位技術需要達到大范圍的定位精度，可以選擇的方案較少。

移動式集裝箱裝卸機械具有軌跡不確定、供電不連續(xù)等特征。軌跡不確定的特征使得采用激光測距的定位方式失效，供電不連續(xù)的特征使得定位技術必須具有低功耗或者恢復快的特征。

研究提出的解決方案是：采用北斗載波相位差分技術(Real-Time Kinematic，RTK)結(jié)合慣性定位，實現(xiàn)移動式裝卸機械的高精度定位[2-4]；基于微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)傾角傳感器[5]、調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)毫米波雷達測距[6]、自動控制技術、圖像處理技術，實現(xiàn)集裝箱的定位和識別；基于多級定位結(jié)果，結(jié)合無源射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術[7-9]，實現(xiàn)集卡車的定位和識別；基于太陽能供電、控制系統(tǒng)低功耗設計，實現(xiàn)間歇性供電的低功耗無障礙運行。研究結(jié)果表明，此方案不僅造價低、定位精度高，而且箱號識別精準，對實現(xiàn)移動式集裝箱裝卸機械的信息自動采集、智能化管理具有實際應用價值。

1 移動機械系統(tǒng)模型

1.1 移動式集裝箱裝卸機械定位模型

移動式集裝箱裝卸機械的定位不單是定位1個坐標點，還需要定位方向，移動式裝卸機械示意圖如圖1所示，定位系統(tǒng)需要獲得向量在整個系統(tǒng)中的坐標。系統(tǒng)需要同時獲取裝卸機械上A點、B點相對整個集裝箱堆場的坐標，從而計算出裝卸機械在堆場中的方向和位置，計為

圖1 移動式裝卸機械示意圖Fig.1 Mobile handling machinery

1.2 集裝箱定位和識別模型

由于集裝箱的流轉(zhuǎn)特性，使得集裝箱的定位和識別成為難題，研究通過結(jié)合移動式裝卸機械的坐標和作業(yè)行為，反向推斷集裝箱在堆場中的移動軌跡。通過裝卸機械在作業(yè)時，集裝箱相對裝卸機械的位置相對固定，此時可以通過固定位置識別集裝箱的箱號。但是，又由于移動式裝卸機械的吊臂會伸縮，吊具位置會相對發(fā)生變化，使得移動式裝卸機械在裝卸集裝箱時的坐標不能直接計算出集裝箱的坐標。此時需要對吊臂的抬升和伸縮進行測量，測量出此時集裝箱相對裝卸機械的坐標，同時調(diào)整識別裝載的參數(shù)、自動跟蹤集裝箱箱號的位置。集裝箱定位和識別示意圖如圖2所示，集裝箱的定位以裝卸機械的定位作為參考，獲得吊具在裝卸機械上的坐標H(xh，yh)。

圖2 集裝箱定位和識別示意圖Fig.2 Container positioning and identification

通過測量吊臂長L和測量吊臂的傾角θ，可以計算出H在垂直平面相對于A點的坐標H(Lcos(θ)，Lsin(θ))。在計算出H坐標后，進一步計算出識別相機的跟蹤參數(shù)δ，用來調(diào)整相機的識別角度和焦距。

識別出集裝箱箱號后，通過相對坐標H(Lcos(θ)，Lsin(θ))，結(jié)合裝卸機械的坐標，可以獲得集裝箱在整個堆場中的坐標固定向量為

式中：M為參數(shù)，

1.3 集卡汽車定位和識別模型

集卡汽車的定位和識別主要是解決集裝箱是否裝錯、是否是裝到指定的集卡汽車上的問題。研究通過在集卡汽車車板上貼裝無源的RFID標簽，通過將標簽的ID同集卡車號綁定，在裝卸機械靠近該集卡汽車時，即可讀取出當前集卡的車牌號是否為指令所指定的集卡車號。集卡汽車定位和識別示意圖如圖3所示，通過讀取集卡上的無源標簽，結(jié)合當前裝卸機械的定位坐標向量可以獲得集卡的當前坐標向量

圖3 集卡汽車定位和識別示意圖Fig.3 Positioning and identification of container truck

1.4 低功耗模型

由于移動裝卸機械啟動的不確定性，需要對模塊采用低功耗設計。研究采取在不同的工作狀態(tài)時，采用不同的工作模式。用電功耗分析如表1所示。通過不同的策略，控制系統(tǒng)的功耗，使得系統(tǒng)不會因為裝卸機械的間歇性工作導致定位中斷。

表1 用電功耗分析Tab.1 Power consumption analysis

2 移動機械系統(tǒng)設計

系統(tǒng)的關鍵設計共4項，主要包括移動式裝卸機械的定位模塊設計、集裝箱的定位模塊識別設計、集卡汽車車板的識別模塊設計和供電管理模塊設計。

移動式裝卸機械移動范圍廣，參考基站作用范圍有限，定位模塊需要動態(tài)切換參考站點，實現(xiàn)裝卸機械的跨區(qū)域定位；實時計算裝卸機械全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)坐標、吊具定位坐標；實時監(jiān)測參考點的信號強度，優(yōu)先選取信號良好的參考點。設計采用“一級拓撲定位+慣性定位”+“二級定位”的方式。多級定位示意圖如圖4所示。

圖4 多級定位示意圖Fig.4 Multi-stage positioning

系統(tǒng)同步計算多個參考點的輸出結(jié)果及慣性定位的輸出結(jié)果，合并為一級定位結(jié)果系統(tǒng)同步測量裝卸機械吊臂的伸縮長度L和抬升傾角θ，計算出二級定位結(jié)果。通過一級定位和二級定位，合并計算出裝卸機械吊具的最終坐標通過各個獨立模塊處理之后，系統(tǒng)中的所有集裝箱存量坐標集合S為

系統(tǒng)定位采用GNSS-RTK定位技術，覆蓋范圍2 km。當覆蓋范圍超過2 km時采用組網(wǎng)的形式，自動切換定位參考基站的方式。RTK定位基站自動切換示意圖如圖5所示?？紤]到北斗信號丟失、失鎖等異常情況的發(fā)生，采用與慣性定位技術相結(jié)合的方式，保證定位的完整性。

圖5 RTK定位基站自動切換示意圖Fig.5 Automatic handover of RTK positioning base station

2.1 移動式裝卸機械定位模塊

由于移動式裝卸機械體積大，不能單純地作為一個點進行處理，需要進行方向判別。由于作業(yè)軌跡是隨機的，導致方向的隨機性。系統(tǒng)采用雙RTK定位，聯(lián)合電子羅盤及地磁傳感器，綜合判定裝卸機械的精確方向，解決裝卸機械在作業(yè)過程中的方向判別問題。移動式裝卸機械定位模塊主要包含2個部分，一部分是RTK參考基站，另一部分是RTK移動基站。RTK參考基站一般作用范圍有限，在2 km左右，對于大型堆場則需要采用多個參考基站的覆蓋才能滿足作業(yè)要求。

參考基站設計核心包含北斗GNSS模塊、無線數(shù)傳模塊和RTK解算模塊。參考基站中解算模塊采集北斗GNSS模塊數(shù)據(jù)，將計算結(jié)果通過數(shù)傳模塊廣播至附近的移動基站。定位參考基站設計如圖6所示

圖6 定位參考基站設計Fig.6 Design of reference positioning base station

移動基站核心包含二路北斗模塊，一路數(shù)傳、一路慣性傳感器和RTK解算模塊。移動基站中解算模塊采集二路北斗信號，通過無線數(shù)傳接收RTK參考基站信號，并在本地進行解算，最后通過網(wǎng)絡輸出最終的定位結(jié)果。其中，慣性傳感器在衛(wèi)星信號丟失嚴重的情況下，采用慣性導航彌補間歇性的衛(wèi)星中斷情況。定位移動基站設計如圖7所示。

圖7 定位移動基站設計Fig.7 Design of mobile positioning station

2.2 集裝箱定位和識別模塊

通過毫米波雷達傳感器測量吊臂長L，通過傾角傳感器測量吊臂傾角θ，將數(shù)據(jù)傳輸至定位處理器進行計算，可以得到H的坐標(Lcos(θ)，Lsin(θ))。通過狀態(tài)采集器，采集裝卸機械的裝卸狀態(tài)，觸發(fā)箱頂相機和箱側(cè)面相機抓拍照片，將結(jié)果推送至圖像處理進行識別，完成集裝箱箱號的識別。集裝箱定位和識別模塊設計如圖8所示。

圖8 集裝箱定位和識別模塊設計Fig.8 Design of container positioning and identification modules

實際中由于通信帶寬的限制，設計采用本地集裝箱箱號識別的方式。在裝卸機械吊具上采用箱側(cè)識別、箱頂識別來進行雙重識別糾錯，提高箱號識別的正確率。此外，由于移動式裝卸機械的電子信息系統(tǒng)匱乏，主要采用機械控制，需要對每一種情況進行電子信息采集。例如，采集開鎖、閉鎖、20 ft集裝箱、40 ft集裝箱等狀態(tài)信息，設計采用超聲波測距采集開鎖、閉鎖信號。

2.3 集卡汽車定位模塊

設計采用無源射頻RFID標簽，將標簽貼至集卡車板的側(cè)面，在裝卸機械的前側(cè)安裝RFID標簽讀卡設備，讀取標簽中的信息，同系統(tǒng)中的集卡車牌相關聯(lián)。設計核心包含RFID模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和網(wǎng)絡通信模塊。集卡汽車定位設計如圖9所示。

圖9 集卡汽車定位設計Fig.9 Design of container truck positioning

2.4 供電管理模塊

由于移動式裝卸機械是間歇性工作的，無法長期供電，但指令的下發(fā)是隨時的，因而需要對系統(tǒng)進行低功耗處理[10-11]。系統(tǒng)通過采集裝卸機械的工作狀態(tài)、太陽能供電狀態(tài)、電池電量剩余容量，動態(tài)控制相關模塊的電源，降低功耗，以保障在裝卸機械長期沒有啟動的情況下，系統(tǒng)仍然能正常地傳輸指令。電源設計采用統(tǒng)一管理、智能分配的形式，分別給各個模塊供電，控制各個模塊的電源和功耗，及時采集各個模塊電源的供電情況，動態(tài)供給各個模塊的電源。電源設計如圖10所示。

圖10 電源設計Fig.10 Power supply design

3 業(yè)務流程

通過對裝卸機械的定位、集裝箱的定位和識別，管理系統(tǒng)可以有效地對相關作業(yè)指令進行下發(fā)和指揮。

（1）裝集卡車作業(yè)。裝卸機械收到管理系統(tǒng)下發(fā)的裝集卡車吊單后，自動查找集裝箱所在位置，并通過終端顯示屏指引司機開往指定的地方提箱，在裝集卡車過程中，由集卡車定位識別模塊獲取車板識別模塊數(shù)據(jù)，判別當前汽車是否為所裝汽車，如果為非計劃汽車則進行語音提示并報警，如果為計劃汽車則上報平臺，平臺可以自動生成出站單。

（2）卸集卡車作業(yè)。裝卸機械收到管理系統(tǒng)下發(fā)的卸集卡車吊單之后，通過獲取車板識別模塊數(shù)據(jù)，查詢管理系統(tǒng)中的卸集卡車吊單，待裝卸機械靠近集裝箱時，系統(tǒng)自動判定吊單數(shù)據(jù)情況。抓取集裝箱號，模塊通過匹配成功的吊單進行語音指引，并在終端顯示屏進行顯示指引。

（3）翻箱作業(yè)。裝卸機械自動記錄裝卸機械裝載集裝箱的作業(yè)結(jié)果，并將數(shù)據(jù)及時同步管理系統(tǒng)，實時更新堆場集裝箱數(shù)據(jù)。

（4）鐵路裝車作業(yè)。裝卸機械通過識別到的集裝箱號自動匹配最新的吊單，如果裝卸作業(yè)類型為裝車作業(yè)時，通知并指引司機裝往指定的貨物列車上，如果結(jié)果發(fā)生改變，司機可以通過終端手動調(diào)整目標貨車車號，及時更新吊單執(zhí)行結(jié)果。

（5）鐵路卸車作業(yè)。裝卸機械通過識別當前作業(yè)位置來判斷當前的作業(yè)為卸貨物列車時，通過集裝箱箱號自動匹配吊單，成功匹配后，通知并指引司機將集裝箱卸往指定的位置，如果卸載的位置為非吊單所指定的位置，則系統(tǒng)進行聲音報警，并上傳至平臺，通知平臺操作人員進行處理。

通過以上5種作業(yè)流程可以看出，通過獲取集裝箱裝卸機械的作業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)集裝箱信息的自動采集，可以及時地掌握堆場堆放情況，通過對集裝箱堆場的裝卸作業(yè)信息化指揮，實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)信息完整采集和反饋，能夠便捷、通暢地以多種方式通信，提高工作效率。其中，定位識別技術在整個作業(yè)中起到關鍵性的作用。

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術，信息化管理集裝箱堆場裝卸機械，從而實現(xiàn)鐵路貨場集裝箱堆場的信息化、智能化管理。有效利用數(shù)據(jù)資源，有助于避免重復勞動，降低人力資源成本。通過該系統(tǒng)可以減少每個堆場區(qū)域的相關管理崗位，義烏西目前有2個空箱堆場，通過該系統(tǒng)可以統(tǒng)一管理，對裝卸機具統(tǒng)一調(diào)度，合并崗位、減少相關崗位1/2的人員。該系統(tǒng)節(jié)省了大量的找尋集裝箱時間，大大提高了空箱流轉(zhuǎn)率，堆場的日常容量可以從現(xiàn)有的日均卸3列空箱增至卸4列空箱，集裝箱裝車量從日均3～4列提高到日均6列、最高8列的水平，有效地提高了運輸效率，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的大幅提升。